目录 前言 第1章 绪论 1 1.1 煤矿瓦斯灾害现状 1 1.2 煤体瓦斯吸附解吸扩散理论和实验研究现状 3 1.2.1 煤体瓦斯吸附解吸扩散实验研究现状 3 1.2.2 煤体瓦斯吸附理论研究现状 7 1.2.3 煤体瓦斯解吸扩散理论研究现状 11 1.2.4 煤对多元气体的吸附研究现状 14 1.3 煤体瓦斯渗流理论和实验研究现状 16 1.3.1 煤体瓦斯渗流实验研究现状 16 1.3.2 煤体瓦斯渗流理论研究现状 17 1.4 本书研究内容 19 第2章 煤体瓦斯吸附微观机理 20 2.1 瓦斯的性质及微观特性 20 2.2 煤的结构及微观特征 23 2.2.1 煤的化学结构 23 2.2.2 煤的物理结构 24 2.2.3 煤吸附瓦斯相关基本物性参数测试 30 2.3 煤吸附瓦斯的微观机理 39 2.3.1 煤吸附瓦斯的机理 40 2.3.2 煤吸附瓦斯的微观作用力 4l 2.3.3 矿井瓦斯气体与煤表面分子间力的分析 46 2.4 煤体吸附瓦斯的过程 49 2.4.1 煤体吸附瓦斯的过程 49 2.4.2 吸附速率方程 50 2.5 小结 52 第3章 煤体瓦斯吸附实验方法 53 3.1 测试方法 53 3.1.1 测试方法 53 3.1.2 目前煤的甲烷吸附量测定的几个标准对比分析 54 3.1.3 测试方法选择 55 3.2 实验系统 56 3.2.1 现有的实验系统 56 3.2.2 实验系统研制 57 3.2.3 实验装置功能 58 3.2.4 实验装置的标定 59 3.3 瓦斯吸附实验 59 3.3.1 实验准备 59 3.3.2 实验步骤 6l 3.3.3 数据处理 62 3.3.4 实验结果 62 3.4 实验结果分析 67 3.4.1 煤的变质程度 67 3.4.2 煤中的水分 68 3.4.3 瓦斯压力 69 3.4.4 吸附温度 70 3.4.5 煤岩的显微组分 70 3.5 小结 7l 第4章 煤体对多元气体的吸附实验 72 4.1 煤体对单一气体的吸附结果分析 72 4.2 多组分吸附实验方法 75 4.2.1 配气方法 75 4.2.2 吸附实验与数据处理方法 77 4.2.3 多组分吸附的体积校正方法 80 4.3 煤体吸附多组分气体的特征和规律 83 4.3.1 煤体吸附多组分气体特征 83 4.3.2 多组分吸附模型的预测方法 85 4.3.3 多组分吸附模型分析方法 87 4.3.4 木同模型的适用性及多组分吸附规律 93 4.4 多组分吸附的应用实例 98 4.5 小结 100 第5章 煤表面分子吸附瓦斯分子模拟分析 102 5.1 煤的分子结构模型研究 102 5.2 分子模型构建 104 5.2.1 计算模型的构建 105 5.2.2 煤表面分子模型的确定 105 5.2.3 气体分子模型的确定 108 5.3 煤体表面分子片段模型的选择 109 5.4 煤表面分子与甲烷分子的相互作用能 110 5.4.1 与单个甲烷分子相互作用的计算 110 5.4.2 与多个甲烷分子相互作用的计算 117 5.5 煤表面分子与多元混合瓦斯分子的相互作用计算 122 5.5.1 吸附能的计算 122 5.5.2 吸附几何构型 122 5.5.3 电荷集居数的计算 124 5.6 煤表面分子吸附瓦斯分子研究结果分析 125 5.7 小结 128 第6章 煤吸附瓦斯热力学 130 6.1 吸附热力学 130 6.1.1 表面热力学特性函数基本方程 130 6.1.2 表面吸附热力学 130 6.1.3 吸附能的测定 13l 6.2 煤的吸附表面自由能及其计算 132 6.2.1 煤表面自由能的形成和特点 132 6.2.2 煤表面自由能的计算 133 6.2.3 煤表面自由能的应用探讨 135 6.3 等量吸附热 137 6.3.1 吸附热分类及其测试方法 137 6.3.2 斜率计算法 138 6.3.3 Langmuir参数计算法 142 6.4 等温吸附曲线预测 148 6.4.1 吸附势理沦 148 6.4.2 吸附特性曲线 149 6.4.3 吸附特性曲线的绘制 151 6.4.4 不同温度下等温吸附曲线预测 153 6.5 小结 155 第7章 煤体瓦斯解吸扩散规律 157 7.1 瓦斯在煤体中的扩散模型 157 7.2 煤体瓦斯解吸扩散实验研究 16l 7.2.1 煤样的采集与制备 161 7.2.2 实验方法 162 7.2.3 实验测定结果的处理方法 167 7.2.4 煤体瓦斯解吸扩散规律及影响因素分析 168 7.3 第三类边界条件下的煤粒瓦斯解吸扩散模型 182 7.3.1 多孔介质的连续介质方法及其中流体的质量浓度 182 7.3.2 带扩散连续性方程式的推导 183 7.3.3 煤粒瓦斯解吸扩散动力过程 186 7.3.4 煤粒瓦斯解吸扩散物理数学模型 187 7.3.5 煤粒瓦斯扩散方程的解析解 188 7.3.6 煤粒瓦斯扩散方程解析解的应用 191 7.4 小结 193 第8章 外加场对煤体瓦斯吸附解吸影响规律 194 8.1 电磁场对煤体瓦斯吸附解吸的影响规律 194 8.1.1 实验系统 194 8.1.2 实验前的准备 195 8.1.3 实验结果及数据处理 195 8.2 声场对煤体瓦斯吸附的影响规律 200 8.2.1 实验系统 200 8.2.2 实验前的准备 200 8.2.3 实验结果及数据处理 200 8.3 外加场对煤体瓦斯吸附解吸的影响机理 202 8.3.1 电磁场对煤体瓦斯吸附解吸的作用机理 202 8.3.2 声场对煤体瓦斯吸附的作用机理 205 8.4 小结 2lo 第9章 煤体瓦斯渗流规律研究 212 9.1 煤体瓦斯渗流实验装置 212 9.1.1 假三轴煤体渗流规律实验系统 212 9.1.2 真三轴煤体渗流规律实验系统 214 9.2 假三轴煤体渗流规律实验 217 9.2.1 煤样的制取 217 9.2.2 实验步骤 217 9.2.3 煤体渗透率计算公式 218 9.2.4 实验结果及分析 218 9.3 真三轴煤体渗流规律实验 229 9.3.1 煤样的制取 229 9.3.2 实验步骤 229 9.3.3 实验结果及分析 230 9.4 考虑吸附作用的煤体瓦斯固流耦合理论 233 9.4.1 基本假设 233 9.4.2 煤体渗流场方程 233 9.4.3 煤体应力场方程 236 9.5 气体吸附性对煤层渗流的影响 239 9.5.1 不同气体对渗透率的影响 239 9.5.2 吸附性影响煤层渗透性的机理 242 9.5.3 气体吸附性对煤层渗透率影响的现场测试实验 246 9.6 小结 25l 第10章 煤层瓦斯运移理论的应用分析 252 10.1 瓦斯抽放制约因素分析 252 10.1.1 扩散对瓦斯抽放的影响分析 252 10.1.2 渗流对瓦斯抽放的影响分析 255 10.2 采动影响下煤体渗流通道演化观测方法分析 256 10.2.1 实验地点概况 256 10.2.2 顶板岩层裂隙测试方案 257 10.2.3 顶板岩层裂隙测试结果 259 10.2.4 基于图像处理的顶板裂隙演化规律 262 10.2.5 基于观测结果的瓦斯抽放钻孔布置 269 10.3 瓦斯抽采自主与人工通道强化方法 271 10.3.1 煤层瓦斯运移通道強化方法 271 10.3.2 开采煤层保护层 272 10.3.3 高压磨料射流割缝卸压增透技术 273 10.3.4 深孔预裂爆破抽放瓦斯 277 10.4 小结 287 参考文献 288 Contents Preface 1.1 The situation of gas disasters of coal mine 1 1.2 The situation of gas adsorption and desorption 3 1.2.1 The experimental review of gas adsorption and desorption 3 1.2.2 The theoretical review of gas adsorption 7 1.2.3 The theoretical review of gas desorption 11 1.2.4 The review of multiple gas adsorption 14 1.3.1 The experimental review of gas transfusion 16 1.3.2 The theoretical review of gas transfusion 17 Chapter 2 Microcosmic mechanism of gas adsorption 20 2.1 Characters of gas and its microcosmic specialty 20 2.2 Structures of coal and its microcosmic specialty 23 2.2.1 The chemical structure of coal 23 2.2.2 The physical structure of coal 24 2.2.3 The test of basic physical parameters of gas adsorption 30 2.3 Microcosmic mechanism of coal adsorbing gas 39 2.3.1 The mechanism of coal adsorbing gas 40 2.3.2 The microcosmic force of coal adsorbing gas 41 2.3.3 Analysis of forces between coal surface intermolecular and mine gas 46 2.4 Process of coal adsorbing gas 49 2.4.1 Process of coal adsorbing gas 49 2.4.2 Equation of adsorption rate 50 Chapter 3 Experimental methods of coal adsorbing gas 53 3.1.2 Comparative analysis between several standard of gas absorption 54 3.1.3 Choose of measurement 55 3.2.1 Existing experimental system 56 3.2.3 Faction of experiment device 58 3.2.4 Standard of experiment device 59 3.3 Adsorption experiment of gas 59 3.3.1 Experimental preparation 59 3.3.2 Experimental praedure 61 3.3.4 Result of the experiment 62 3.4 Result analysis of experiment 67 3.4.1 Qualitative degree of coal 67 3.4.2 Moisturein the coal 68 3.4.4 Adsorption temperature 70 Chapter 4 Experiment of coal adsorbing multinational gases 72 4.1 Experiment analysis of coal adsorbing single gas 72 4.2 Experimental method of adsorbing mixed gases 75 4.2.1 The method of adjusting gas composition 75 4.2.2 The method of adsorbing test and data processing 77 4.2.3 Volume correction method of multiple gas adsorption 80 4.3 Character and law of coal adsorbing mixed gases 83 4.3.1 Character of coal absorbing mixed gases 83 4.3.2 Prediction of mixed gases absorption 85 4.3.4 The applicability of different models and the law of mixed gases absorption 93 4.4 Application of coal adsorbing mixed gases 98 Chapter 5 Molecule simulation analysis of coal adsorbing gas 102 5.2.1 Establishment of calculation model 105 5.2.2 Definition of coalmolecule model 105 5.2.3 Definition of gas molecule model 108 5.4 Interaction energy between coal molecule and methane molecule 110 5.4.1 Calculation of single methane molecule interaction 110 5.4.2 Calculation of multiple methane molecule interaction 117 5.5 Interaction energy between coal molecule and mixed gases 122 5.6 Result analysis of coal molecule adsorbing gas molecule 125 5.7 Summary 128 Chapter 6 Thermodynamic characteristics during process of coal adsorbing methane 130 6.1.1 The basic equation of surface thermodynamic properties 130 6.1.2 Thermodynamics of surface adsorption 130 6.1.3 Determination of adsorption energy 131 6.2 Adsorption surface free energy of coal and its calculation 132 6.2.1 Formation and characteristics of adsorption surface free energy of coal 132 6.2.2 Calculation of surface free energy of coal 133 6.2.3 Discussion on application of surface free energy of coal 135 6.3 Isosteric heat during coal adsorbing gas 137 6.3.1 Classification and test methods of adsorption heat 137 6.3.2 The solpe calculation method 138 6.3.3 Calculation method of Langmuir 142 6.4 Prediction of adsorption isotherm 148 6.4.2 Adsorption characteristic curve 149 6.4.3 Draft of adsorption characteristic curve 151 6.4.4 Prediction of adsorption isotherm 153 6.5 Summary 155 Chapter 7 Law of gas desorption and diffusion 157 7.1 Diffusion model of gas in coal 157 7.2 Experiment of gas desorption and diffusion 161 7.2.1 Collection and preparation of coal sample 161 7.2.2 Experimental method 162 7.2.3 Processing method of the experimental results 167 7.2.4 Analysis of law of gas desorption and diffusion and its factors 168 7.3 Diffusion model of gas in coal under the third boundary condition 182 7.3.1 Continuum method and mass concentration of the fluid of porous media 182 7.3.2 Derivation of continuous diffusion equation 183 7.3.3 Dynamicprocess of diffusion model of gas 186 7.3.4 Physical and mathematical diffusion models of gas 187 7.3.5 Analytical solutions of diffusion model of gas 188 7.3.6 Application of analytical solutions of gas diffusion equation 191 7.4 Summary 193 Chapter 8 Effect of applied field on gas adsorption and desorption 194 8.1 Effect law of electromagnetic field on gas adsorption and desorption 194 8.1.1 Experimental system 194 8.1.2 Preparation before the experiment 195 8.1.3 The experiment result and data process 195 8.2 Effect law of sound field on gas adsorption 200 8.2.1 Experimental system 200 8.2.2 Preparation before the experiment 200 8.2.3 The experiment result and data process 200 8.3 Effect mechanism on gas adsorption and desorption 202 8.3.1 Electromagnetic frelds on gas adsorption and desorption 202 8.3.2 Sound field on gas adsorption 205 8.4 Summary 210 Chapter 9 Law of gas seepage in coal 212 9.1 Experimental instruments of gas seepage in coal 212 9.1.1 False triaxial experimental instrument of gas seepage in coal 214 9.1.2 True triaxial experimental instrument of gas seepage in coal 214 9.2 Experiment of gas seepage under false triaxial 217 9.2.4 Experimental results and analysis 218 9.3 Experiment of gas seepage under true triaxial 229 9.3.3 Experimental results and analysis 230 9.4 The coupling theory of coal and gas including adsorption 233 9.4.3 Equation of stress field in coal 236 9.5 Effect of gases adsorption on seepage 239 9.5.1 Influence on permeability of different gases 239 9.5.2 Mechanism of adsorption influence on coal permeability 242 9.5.3 Field experiment of effect of gases adsorption on seepage 246 9.6 Summary 251 Chapter 10 Application of gas migration in coal mine 252 10.1 Factors of restricting gas drainage 252 10.1.1 Analysis of effect of diffusion on gas drainage 252 10.1.2 Analysis of effect of seepage on gas drainage 255 10.2 Analysis of seepage passages under mining in coal mine 256 10.2.1 Experiment location description 256 10.2.2 Test scheme of fracture in roof rock 257 10.2.3 Experimental results of fracture in roof rock 259 10.2.4 Law of roof crevice based on image processing 262 10.2.5 The layout of gas drainage boreholes based on observational results 269 10.3 Strengthening method of autonomous and man-made passages for gas drainage 271 10.3.1 Strengthening method of passages for gas drainage 271 10.3.2 Exploitation of coal protective layer 272 10.3.3 Technology of high-pressure water jet on increasing permeability of coal seam 273 10.3.4 Technology of deep hole advance split explosion discharging methane 277 10.4 Summary 287 References 288
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